WPŁYW AKTYWNOŚCI SŁOŃCA NA KLIMAT ZIEMI Paweł Rudawy Zakład Heliofizyki i Fizyki Kosmicznej IA UWr
ok. 200 000 000 000 gwiazd ok. 80% GCG ok. 5% GCG ma układy planetarne GALAKTYKA SPIRALNA M 31 MGŁAWICA ANDROMEDY SŁOŃCE RAMIE ORIONA
SŁOŃCE Temperatury - centrum Słońca 15 500 000 K - fotosfera 5 785 K - korona 2 000 000 K Gwiazda ciągu głównego: - typ widmowy: G2V - jasność: M bol =4.74 - wiek: 4.64*10 9 lat - widoma średnica: 1 392 000 km - moc promieniowania: 3.86 10 20 MW - masa: 2*10 30 kg (99.9% masy układu; 3*10 5 M z ) - wieloskładnikowy układ planetarny
BUDOWA WEWNĘTRZNA SŁOŃCA T cent =15.5 mln K, P cent =3 10 11 atm, ρ cent =153 g/cm 3 X=0.73 Y=0.25 Z=0.02 CYKL P-P W ciągu 1 sekundy w jądrze Słońca 600 000 000 ton wodoru jest przekształcane w hel, w tym 4 200 000 ton materii przekształcane jest w energię
A B C B mld lat B C A A C EWOLUCJA SŁOŃCA 0-12.4 MLD LAT
-3.8 mld lat -650 mln lat -150 mln lat 0
L 0 ~70-80 % L 4.5? Paradoks młodego Słońca
Ewolucja atmosfer planet typu Ziemia
SŁOŃCE L=3.86 10 20 MW L z =1.74 10 11 MW Gwiazda ciągu głównego: - typ widmowy: G2V - jasność: M bol =4.74 - wiek: 4.64*10 9 lat - widoma średnica: 1 392 000 km - moc promieniowania: 3.86 10 20 MW - masa: 2*10 30 kg (99.9% masy układu; 3*10 5 M z ) - wieloskładnikowy układ planetarny
Budżet promieniowania dla Ziemi Energia słoneczna strumień uśredniony Kiehl & Trenberth, 1997
Średnie roczne temperatury globalne pierwszy jednorodny pomiar temperatury dopiero od 1659!!! 140 lat Półkula północna - słoje drzew (dendrochronologia) - rafy koralowe - lodowce 18 O/ 16 O, 2 H/ 1 H (w chłodniejsze lata trudniej parują molekuły zawierające ciężkie izotopy) 1000 lat Antarktyda, stacja Vostok -deuter ( 2 H) -CO 2 -CH 4 400 000 lat
100 000 lat 413 000 lat 19 000 lat 23 000 lat Zmiany ekscentryczności, położenia oraz nachylenia orbity Ziemi w ciągu 350 000 lat 41 000 lat
SŁOŃCE W ŚWIETLE WIDZIALNYM, EUV i X ŚWIATŁO BIAŁE 656.3 nm (Hα) 0.3-2 nm, 2 000 000 K FeIX-X, 17.1 nm 1 300 000 K Tomograf słoneczny
Magnetogram (LOS) TRACE 17.1 nm Schrijver, 2001 Wszystkie przejawy aktywności słonecznej związane są z globalnymi i lokalnymi zmianami słonecznych pól magnetycznych
Rotacja różnicowa Słońca Dynamo słoneczne Przepływ południkowy Weź rotację różnicową, nieco przepływu południkowego, dodaj adwekcję i dyfuzję, zamieszaj 15-25 m/s 1 rok (Dikpati et al., 2004) pole poloidalne pole toroidalne
SSVTT
X-ray jets (10/h) v>140km/s (mikro)aktywność w QS i CH struktura korony w obszarach około-biegunowych mikrorozbłyski w AR 26.X.2006 jasne punkty (bright points) grupy drobnych pętli drobna struktura pętli obszarów aktywnych fale uderzeniowe w X; v ~ 400-760 km/s (M=1.15-1.25)
X-ray jets (10/h) v>140km/s (mikro)aktywność w QS i CH struktura korony w obszarach około-biegunowych mikrorozbłyski w AR 26.X.2006 jasne punkty (bright points) grupy drobnych pętli drobna struktura pętli obszarów aktywnych fale uderzeniowe w X; v ~ 400-760 km/s (M=1.15-1.25)
POŁOZENIE SKALA (Mm) CZAS CYKL ENERGIA [erg] spikule QS, AR 2-7 min? 10 24-26 wyrzuty chromosferyczne QS, CH ~10 min? ~10 26 wyrzuty koronalne AR, CH 10-700 min h? >10 26 X jasne punkty wszędzie 10-30 h Y (anty) 10 24-28 rozbłyski lokalne grzanie korony CME protuberancje spokojne protuberancje aktywne oscylacje pętli AR wszędzie korona Ø100 h przestrzennych (km Mm) podstawy sreamer ów i czasowych (ms Ms) obszar 100-500 d m okołobiegunowy AR AR 10-200 pól magnetycznych 10-100 h ~10 min h lokalne procesy < 1 min o bardzo różnych skalach transformacji energii są powszechne na Słońcu min Y Y Y Y Y - 10 28-33 ~10 28 >10 28 >10 26 >10 26? sigmoidy AR, połączenia AR 10-100 h Y >10 28 plasmoidy fale X, EIT, Moreton blinkersy emisje radiowe spray e surge s.. Alexander, SOHO20, 2007 AR obszar aktywny, CH - dziura koronalna, QS obszar spokojny
ROZBŁYSKI SŁONECZNE E 10 25 J P ~ 10 22 W (J/s)
ROZBŁYSKI SŁONECZNE = 10 000 000 1 MT E 10 25 J P ~ 10 22 W (J/s) 1 MT TNT = 4,2*10 15 J
ERUPCJE WIELKICH SYSTEMÓW MAGNETYCZNYCH (HMS) ZŁOŻONE ZESPOŁY ZJAWISK, OBEJMUJACE ROZBŁYSKI, ERUPCJE, CME SĄ MANIFESTACJAMI PRZEBUDOWY MAKRO-SYSTEMÓW PÓL MAGNETYCZNYCH (HMS) 1 h 1 h 50 m 3 h 30 m 0 h 30 m
KRÓTKO I SREDNIOOKRESOWE ZMIANY EMISJI SŁOŃCA Zmienność średniookresowa niestała stała słoneczna ( ~ 1366 Wm -2 ) Zmienność krótkookresowa
Multi-temperaturowy obraz Słońca Niebieski: EIT 171 A T=1.0 MK Zielony: EIT 195 A T=1.5 MK Czerowny: EIT 284 A T=2.0 MK
1R s FOTOSFERA 3*10-7 g/cm 3 = 0.0001 gęstości atmosfery ziemskiej 1.1 R s KORONA SŁONECZNA 1.7*10-16 g/cm 3 = 3*10 14 cząstek/cm 3 5*10-14 gęstości atmosfery ziemskiej 1 20 000 000 000 1 AU 5 cząstek/cm 3
PROTONY, ELEKTRONY, CZĄSTKI α CZYLI WIATR SŁONECZNY 6.10.1990-1994 80.2S 2000 11.2006-04.2007 S 11.2007-03.2008 N
erupcja wielkiego systemu magnetycznego AR+EP+PFL+CME+ = EHMS
KORONALNE WYRZUTY MATERII
PANORAMICZNY OBRAZ HELIOSFERY Saturn Merkury Ziemia i Księżyc Uran Wenus Mars
220 GW 0.1-0.8 nm
Słońce 16.IX.2008 K1v CaII magnetogram Hα 656.2 nm 17.1 nm X
Słońce 06.X.1999 K1v CaII magnetogram Hα 656.2 nm 17.1 nm X
Słońce 06.X.1999 K1v CaII magnetogram Hα 656.2 nm 17.1 nm X
nieco większy strumień energii więcej SEP mniej promieni kosmicznych
WIELKIE MINIMA 1 1680 ne 80 l Maunder (typ I) 10 Be cykl 15-letni (Brandenburg, 2007) 2 1470 ne 160 l Spoerer (typ II) 3 1305 ne 70 l Wolf 4 1040 ne 60 l 5 685 ne 70 l 6 360 pne 60 l 27 total = 17% Schwabe: 11 lat Gleissberg: 88 lat De Vries: 205 lat Hallstatt: 2100-2300 lat 14 C halocen Yang et al., GJ 2000; Korte et al., EPSL 2005 WIEKIE MAKSIMA 1 1960 ne 80 l 2 445 pne Słońce 40 l tylko przez 75% czasu wykazuje typowy cykl aktywności 3 1790 pne Występowanie 20 l wielkich minimów i maksimów może być chaotyczne aczkolwiek waiting time nie jest zupełnie przypadkowy. 19 total = 19% Długoterminowe prognozowanie??? Usoskin et al., A&A 2007
C24 min R max ~ 50 max R max ~ 170? Janssens, 2007 Mod. NASA
C24 Kiedy się zacznie?
KRÓTKO I SREDNIOOKRESOWE ZMIANY EMISJI SŁOŃCA Zmienność średniookresowa niestała stała słoneczna ( ~ 1366 Wm -2 ) Zmienność krótkookresowa
Głębokość wnikania promieniowania słonecznego w atmosferę Ziemi Zmienność krótkookresowa emisji Słońca
WIATR SŁONECZNY W POBLIŻU ZIEMI (1 AU) składowa średnio powolna szybka N (cm-3) 9 12 4 V (km/s) 450 320 700 F (erg/cm2/s) 2 1.5 2.2 Te (105 K) 1.5 1.3 1 Tα (105 K) 5 1 15 B (nt) 6 6 6
ODDZIAŁYWANIE WIATRU SŁONECZNEGO Z MAGNETOSFERĄ ZIEMI P in 10 9-10 12 W
ZORZE POLARNE P = 30 GW
CZAS DOTARCIA DO ZIEMI STRUMIENI CZĄSTEK I PROMIENIOWANIA WYWOŁANYCH AKTYWNOŚCIĄ SŁONECZNĄ Rozbłysk klasy C = 10-6 - 10-5 Wm -2 (1 AU)
CZĘSTOTLIWOŚĆ WYSTĘPOWANIA ZJAWISK GEOFIZYCZNYCH WG. NOAA Średnia częstość występowania zjawisk w cyklu (1 cykl = 11 lat) Burze Strumienie Zaniki geomagnet. cząstek łączności Ekstremalne 4 <1 <1 Bardzo silne 100 105 8 Silne 200 104 175 Średnie 600 103 350 Słabe 1700 102 2000
Zależność temperatury od aktywności słonecznej Eddy, 1976 zmiany sezonowe nasłonecznienia (lato-zima) 8% zmiany wieloletnie nasłonecznienia 0.2% 1% nasłonecznienia => 1K temp. globalnej
maksimum aktywności Zależność pokrycia chmur niskich od strumienia promieniowania kosmicznego >13 MeV Zmiany wysokości warstwy 30 hpa - miara zmian temperatury na wysokości ok. 24 km (Hawaje) liczby Wolfa Zmiany temperatury troposfery (2.5-10 km) uśrednione dla półkuli północnej 1K
Zmiany temperatury powierzchniowej oceanów (SST) ok. 150 lat lata 1955-1994 obszary korelacji dodatniej obszary korelacji ujemnej
Budżet zmian strumienia energii docierającej (radiative forcing, RF) lata 1750-2005
SOL SOL OMNIA OMNIA REGIT